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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Membranluftpumpe und insbesondere
eine durch eine Quarzzelle angetriebene Kompakt-Membranpumpe.
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Im
Allgemeinen wird eine Luftzuführvorrichtung,
wie zum Beispiel eine Luftpumpe, verwendet, um eine bestimmte Menge
von Luft zu einer kompakten elektronischen Vorrichtung oder zu einem
kompakten elektronischen Gerät
zuzuführen.
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Mit
der zunehmenden Integration von Transistoren in kompakte elektronische
Vorrichtungen oder Geräte
können
mikroelektronische Teile aufgrund der in der elektronischen Vorrichtung
oder in dem elektronischen Gerät
erzeugten Wärme
ausfallen oder beschädigt
werden. Daher wird das Problem des Kühlens mikroelektronischer Teile
zu einer wichtigen Problemstellung bei elektronischen Geräten, die
solche mikroelektronischen Teile verwenden.
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Insbesondere
muss, wenn eine Brennstoffzelle als Energiequelle für ein tragbares
Gerät verwendet
wird, Sauerstoff für
chemische Reaktion zugeführt
werden.
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Mit
der kompakteren Auslegung von elektronischen Geräten müssen Kühlvorrichtungen zum Kühlen von
Chips in denselben zusätzlich
ein kleineres Raumvolumen einnehmen und gleichzeitig weniger Leistung
verbrauchen. Darüber
hinaus sollen die genannten Kühlvorrichtungen
Kühlleistung
mit einem hohen Wirkungsgrad erbringen und gleichzeitig geräuscharm
arbeiten sowie eine hohe Betriebszuverlässigkeit aufweisen.
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Eine
herkömmliche
Luftzuführvorrichtung, die
in einer kompakten elektronischen Vorrichtung oder in einem kompakten
elektronischen Gerät
verwendet wird, ist als Drehlüfter-Einbauvorrichtung ausgelegt
oder als externe Kühlrippen-Vorrichtung, um Wärmeleitung
oder Luftkonvektion zu ermöglichen,
um das gewünschte
Kühlen
oder die Lüftzuführung zu
erzielen.
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Die
Kühlvorrichtung
beziehungsweise die Luftzuführvorrichtung
für eine
Brennstoffzelle der oben genannten Ausführungen kann jedoch aufgrund
des Laufens eines Drehlüfters
sowie aufgrund der Tatsache, dass sie ein vorgegebenes Raumvolumen
für sich
selbst einnimmt, Geräusch
erzeugen, und sie wird bei der Miniaturisierung einer elektronischen
Vorrichtung oder eines elektronischen Gerätes Grenzen setzen.
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Weiterhin
ist es bei Berücksichtigung
eines Aspektes der Kühlleistung
des Drehlüfters
und der Rippe schwierig, eine für
eine elektronische Vorrichtung oder für ein elektronisches Gerät benötigte Kühlleistung
zu erzielen. Insbesondere ist in dem Fall der Kühlvorrichtung mit Drehlüfter der
Leistungsverbrauch sehr hoch.
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Da
weiterhin die meisten der vorhandenen Luftpumpen für Luftzuführung von
großer
Größe und großem Volumen
sind und übermäßige Geräuschbildung
aufweisen, ist es schwierig, diese in tragbaren Geräten anzuwenden,
die Miniaturisierung erfordern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Membranluftpumpe bereitgestellt, die umfasst:
einen Pumpenarbeitsraum, wobei Fluid in den Pumpenarbeitsraum einströmt und danach
aus dem Pumpenarbeitsraum ausströmt;
eine Membran, die in dem Pumpenarbeitsraum bereitgestellt wird;
wobei die Membran mit einer zentralen Öffnung oder mit mehreren zentralen Öffnungen
mit zentralen Rückschlagventilen
in den zentralen Öffnungen
ausgebildet wird; und wobei eine piezoelektrische Schiene oder mehrere
piezoelektrische Schienen jeweils mit einer Seite der Membran verbunden
ist oder sind, wobei elektrische Leistung an die piezoelektrischen
Schienen angelegt wird und wobei Fluid zu einem zu kühlenden Teil
zugeführt
wird, wenn die piezoelektrischen Schienen schwingen.
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Der
Pumpenarbeitsraum kann umfassen: ein oberes Gehäuse, das mit einer Einlassöffnung oder mit
mehreren Einlassöffnungen
ausgebildet wird, durch die das Fluid in das obere (Gehäuse strömt; und
ein unteres Gehäuse,
das mit einer Auslassöffnung
oder mit mehreren Auslassöffnungen
ausgebildet wird, durch die das Fluid von dem oberen Gehäuse in das
untere Gehäuse
und aus dem unteren Gehäuse
strömt,
nachdem es mit dem zu kühlenden
Teil in Kontakt gekommen ist.
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Die
Einlassöffnungen
können
mit Einlass-Rückschlagventilen
zum Steuern externen Fluids, um in das obere (Gehäuse zu strömen, versehen werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel
kann die Membran zwischen dem oberen Gehäuse und dem unteren Gehäuse bereitgestellt
werden, und die zentralen Rückschlagventile
sind in der Lage, das Fluid in dem oberen Gehäuse zu steuern, um in das untere Gehäuse zu strömen.
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Das
untere Gehäuse
kann mit Schlitzen zum Installieren der piezoelektrischen Schienen
versehen werden.
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Zwei
Schlitze und zwei piezoelektrische Schienen können bereitgestellt werden.
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Die
Einlassöffnungen
können
in dem Oberteil des oberen Gehäuses
oder in Seitenwänden
des unteren Gehäuses
ausgebildet werden.
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Die
Seitenwände
des oberen Gehäuses
können
mit Seitenöffnungen
ausgebildet werden, in denen seitliche Rückschlagventile installiert
werden, und die Öffnungen
in dem oberen Gehäuse
können ebenfalls
als Diffusoren oder als Düsen
ausgebildet werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt somit eine Membranluftpumpe bereit,
die in dem Aufbau verbessert ist, um Luft zuzuführen, um die kompakten elektronischen
Vorrichtungen zu kühlen
oder um Luft zu einem vorgegebenen Raum zuzuführen.
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Die
oben genannten Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung unter Bezugnahme auf die entsprechenden Zeichnungen
besser verständlich
werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen:
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1 ist
eine Schnittdarstellung einer Membranluftpumpe gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine perspektivische Darstellung der in 1 gezeigten
Membranluftpumpe.
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3 ist
eine Draufsicht der in den 1 und 2 gezeigten
Membran mit piezoelektrischen Schienen.
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Die 4A und 4B veranschaulichen den
Betrieb der in den 1 und 2 gezeigten Membranluftpumpe.
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Die 5 und 6 sind
Schnittdarstellungen der Membranluftpumpen des zweiten und des dritten
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
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In
diesen Figuren beziehen sich die Verweisziffern jeweils auf die
Merkmale und die Ausführung der
vorliegenden Erfindung.
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Membranluftpumpen
gemäß den Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung werden im Detail unter Bezugnahme auf
die anhängenden
Figuren beschrieben. 1 ist eine Schnittdarstellung einer
Membranluftpumpe gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine
perspektivische Darstellung der in 1 gezeigten
Membranluftpumpe. 3 ist eine Draufsicht der in
den 1 und 2 gezeigten Membran mit den piezoelektrischen
Schienen.
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Unter
Bezugnahme auf diese Zeichnungen umfasst die Membranluftpumpe 50 im
Allgemeinen einen Pumpenarbeitsraum 40, eine Membran 25,
die in dem Pumpenarbeitsraum 40 angeordnet ist, sowie eine
piezoelektrische Schiene oder mehrere piezoelektrische Schienen 11.
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Der
Pumpenarbeitsraum 40 stellt ein Aussehen der Membranluftpumpe 50 bereit,
und externes Fluid, wie zum Beispiel Lift, strömt in den Pumpenarbeitsraum 40 hinein
und aus diesem heraus. Zusätzlich
umfasst der Pumpenarbeitsraum 40 ein oberes Gehäuse 10 und
ein unteres Gehäuse 20.
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In
dem Oberteil des oberen Gehäuses 10 wird
eine Einlassöffnung
beziehungsweise werden mehrere Einlassöffnungen 14 ausgebildet,
durch die Fluid in das obere Gehäuse 10 strömt.
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Das
untere Gehäuse 20 greift
in das obere Gehäuse 10 ein,
und eine Auslassöffnung
oder mehrere Auslassöffnungen 21 wird
oder werden in den Seitenwänden
des unteren Gehäuses 20 ausgebildet.
Nachdem das Fluid in das obere Gehäuse 10 geströmt ist,
wird es mit einem zu kühlenden
Teil 30 in Kontakt gebracht und kühlt dieses und strömt danach durch
die Auslassöffnungen 21 hinaus.
Hierbei kann das zu kühlende
Teil 30 ein Luftzuführungsabschnitt für eine Brennstoffzelle
(nicht gezeigt) sein.
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Zusätzlich ist
ein Einlass-Rückschlagventil 13 in
einer jeden Einlassöffnung 14 installiert,
um das Fluid zu steuern, um so in eine Richtung zu strömen, dass
externes Fluid nur in das obere Gehäuse 10 strömt, und
verhindert, dass das Fluid in dem oberen Gehäuse 10 durch die Einlassöffnungen 14 hinaus strömt. Und
das untere Gehäuse 20 ist
mit Schlitzen zum Installieren der piezoelektrischen Schienen 11 ausgebildet.
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In
einem beispielhaften Aisführungsbeispiel werden
zwei piezoelektrische Schienen 11 und zwei Schlitze 26 bereitgestellt,
um Schwingung auf gegenüberliegende
Seiten der Membran 25 aufzubringen.
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Die
Membran 25 wird in dem Pumpenarbeitsraum 40 angeordnet.
Insbesondere wird die Membran 25 zwischen dem oberen Gehäuse 10 und dem
unteren Gehäuse 20 angeordnet,
und die Membran 25 wird mit einer zentralen Öffnung oder
mit mehreren zentralen Öffnungen 22 ausgebildet.
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Ein
zentrales Rückschlagventil 23 wird
in einer jeden zentralen Öffnung 22 bereitgestellt,
um den Strom des Fluids so zu steuern, dass das Fluid in dem oberen
Gehäuse 10 nur
in das untere Gehäuse 20 strömt und gehindert
wird, zurück
in das obere Gehäuse 10 zu
strömen.
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Zusätzlich werden
die zentralen Rückschlagventile 23 und
die Einlass-Rückschlagventile 13 aus einer
flexiblen Membran ausgebildet, und sie öffnen beziehungsweise schließen in Abhängigkeit
von dem Differenzdruck zwischen dem oberen Gehäuse 10 und dem unteren
Gehäuse 20.
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Eine
piezoelektrische Schiene 11 ist mittels eines Klebstoffes
an einer Seite der Membran 25 befestigt, und wenn elektrische
Leistung von außerhalb der
Membranpumpe 50 an die piezoelektrischen Schienen 11 angelegt
wird, schwingen die piezoelektrischen Schienen 11. Hierbei
wird die Membran 25 mit einem Spalt 16 von den
Verbindungsteilen 12 zwischen den piezoelektrischen Schienen 11 mit
der Membran 25 beabstandet ausgebildet.
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Der
Betrieb der Membranluftpumpe 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben
werden. Die 4A zeigt den Strom von Fluid,
wenn sich die piezoelektrischen Schienen 11 zu dem zu kühlenden
Teil 30 hin bewegen, und die 4B zeigt
den Strom von Fluid, wenn sich die piezoelektrischen Schienen 11 von
dem zu kühlenden
Teil 30 weg bewegen.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen wird Spannung an die piezoelektrischen
Schienen 11 der Membranluftpumpe 50 angelegt.
Die angelegte Spannung ist eine Wechselspannung, und wenn sie angelegt
wird, schwingen die piezoelektrischen Schienen 11 nach
unten und oben.
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Wenn
externe Kraft auf die piezoelektrischen Schienen 11 aufgebracht
wird, erzeugen die Schienen elektrische Energie (zum Beispiel Spannung) entsprechend
der externen Kraft, das heißt
mechanische Kraft, wohingegen die Schienen mechanische Energie erzeugen,
wenn elektrische Energie an die piezoelektrischen Schienen 11 angelegt
wird. Hierbei weisen die piezoelektrischen Schienen 11 das
einzigartige Merkmal auf, dass sie schwingen, wenn die angelegte
elektrische Energie eine Wechselspannung ist.
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Wenn
Wechselspannung an die piezoelektrischen Schienen 11 auf
diese Weise angelegt wird, schwingen die piezoelektrischen Schienen 11,
jedoch ist ein Ende einer jeden piezoelektrischen Schiene 11 vollständig in
den Schlitzen 26 des Pumpenarbeitsraumes 40 befestigt.
Daher wird das andere Ende einer jeden piezoelektrischen Schiene 11 nach
oben und unten schwingen. Diese Schwingung weist eine größte Amplitude
auf, wenn die Frequenz der Wechselspannung und die Eigenfrequenz
der piezoelektrischen Schienen 11 gleich sind.
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Wenn
die piezoelektrischen Schienen 11 auf diese Weise nach
oben und unten schwingen, schwingt auch die Membran 25,
die mittels eines Klebstoffes an den piezoelektrischen Schienen 11 befestigt
ist. Da die Membran nicht an dem Pumpenarbeitsraum 40 befestigt
ist, sondern lediglich an der Membran 25 befestigt ist,
wird ihre Verschiebung weitaus größer sein als die der feststehenden
Ausführung.
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Es
wird der Fall beschrieben, bei dem die piezoelektrischen Schienen 11 in
der durch die Pfeile A angedeuteten Richtung schwingen, das heißt von dem
Pumpenarbeitsraum 40 nach unten. Hierbei schwingt die Membran 25 ebenfalls
in der durch den Pfeil B angedeuteten Richtung, das heißt von dem Pumpenarbeitsraum 40 nach
unten.
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In
diesem Fall wird der Druck P1 des Fluids in dem oberen Gehäuse 10 größer, so
dass die zentralen Rückschlagventile 23 aufgrund
dieses Differenzdruckes geschlossen werden. Das Fluid in dem unteren
Gehäuse 20 wird
in Kontakt mit dem zu kühlenden
Teil 30 gebracht und kühlt
dieses beziehungsweise führt
erforderliches Fluid, wie zum Beispiel Luft, zu dem zu kühlenden
Teil 30 zu.
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Da
der Druck P2 in dem oberen Gehäuse 10 zu
der gleichen Zeit niedriger ist als der Umgebungsdruck P3 des Pumpenarbeitsraumes 40,
strömt
das den Pumpenarbeitsraum 40 umgebende Fluid durch die
Einlassöffnungen 14 in
das obere Gehäuse 10, und
die Einlass-Rückschlagventile 13 werden
geöffnet.
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Gleichzeitig
strömt
das Fluid in dem unteren Gehäuse 20 durch
die Auslassöffnungen 21 aus
dem Pumpenarbeitsraum 40.
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Nunmehr
wird der Fall beschrieben werden, bei dem die piezoelektrischen
Schienen 11 in der durch die Pfeile C angedeuteten Richtung
schwingen, das heißt
von dem Pumpenarbeitsraum 40 nach oben. Hierbei bewegt
sich die Membran 25 ebenfalls in der durch den Pfeil D
angedeuteten Richtung, das heißt
von dem Pumpenarbeitsraum 40 nach oben.
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In
diesem Fall wird der Druck P1 des Fluids in dem unteren Gehäuse 20 niedriger
als der des Fluids in dem oberen Gehäuse 10, so dass die
zentralen Rückschlagventile 23 aufgrund
dieses Differenzdruckes geöffnet
werden.
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Da
gleichzeitig der Druck P2 in dem oberen Gehäuse 10 größer ist
als der Umgebungsdruck P3 außerhalb
des Pumpenarbeitsraumes 40, werden die Einlass-Rückschlagventile 13 geschlossen.
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Daher
strömt
das Fluid, das wie in 4A gezeigt in das obere Gehäuse geströmt ist,
durch die in der Membran 25 ausgebildeten zentralen Öffnungen 22 in
das untere Gehäuse 20.
Und da der Druck P1 des Fluids in dem unteren Gehäuse 20 niedriger ist
als der Umgebungsdruck P3 des Pumpenarbeitsraumes 40, kann
die Umgebungsluft teilweise durch die Auslassöffnungen 21 in das
untere Gehäuse 20 strömen.
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Da
die piezoelektrischen Schienen 11 auf diese Weise nach
oben und unten schwingen, schwingt auch die Membran 25,
wobei sie eine gewisse Menge von Fluid, wie zum Beispiel Luft, zu dem
zu kühlenden
Teil 30 zuführen
kann, wodurch sie Kühlen
oder Zuführen
einer gewissen Menge von Luft zu dem zu kühlenden Teil 30 ausführen kann.
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Da
die Membran 25 mit den piezoelektrischen Schienen 11 verbunden
ist und nicht direkt an dem Pumpenarbeitsraum befestigt ist und
da weiterhin Zwischenräume 16 mit
einem vorgegebenen Abstand zwischen den piezoelektrischen Schienen 11 und
der Membran 25 ausgebildet werden, nimmt die Membran 25 im
Allgemeinen eine Form des Schwebens in dem Pumpenarbeitsraum 40 an,
wobei die Volumenänderungsraten
des Fluids in dem oberen Gehäuse 10 und
dem unteren Gehäuse 20 stark
erhöht
werden.
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Da
infolgedessen der Differenzdruck | P1 – P2 |, der durch die Schwingung
der Membran 25 verursacht wird, erhöht wird, ist es möglich, eine
Luftpumpe eines größeren Wirkungsgrades
mit einem kleineren Volumen und einem einfacheren Aufbau zu realisieren.
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Zusätzlich wird
die Menge von Luft, die von der Membran 25 zu einem Luftzuführungsabschnitt einer
Brennstoffzelle (nicht gezeigt) oder zu einem zu kühlenden
Teil 30 zugeführt
wird, in Abhängigkeit
von der Schwingungsamplitude in den Richtungen A und C der piezoelektrischen
Schienen 11 verändert. Demzufolge
wird sie auch mit der Frequenz der angelegten Spannung verändert. Daher
ist es möglich, die
Menge der zu dem zu kühlenden
Teil 30 zugeführten
Luft aktiv anzupassen, indem die angelegte Spannung entsprechend
der für
das zu kühlende
Teil 30 benötigten
Luftmenge verändert
wird.
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Die 5 und 6 veranschaulichen
das zweite und das dritte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Unter
Bezugnahme auf 5 werden die gegenüberliegenden
Seitenwände
des oberen Gehäuses 10 mit
Seitenöffnungen 17 ausgebildet.
Eine jede Seitenöffnung 17 ist
mit einem Seiten-Rückschlagventil 18 versehen.
Diese Seiten-Rückschlagventile 18 steuern
den Strom von Fluid so, dass das Fluid lediglich in das obere Gehäuse 10 analog
zu den oben genannten Einlass-Rückschlagventilen 13 strömt. Der
Betrieb und der Aufbau der Membranluftpumpe sind ähnlich denen
der in den 1 bis 4B gezeigten
Membranluftpumpe, mit der Ausnahme, dass die Seiten-Rückschlagventile 18 in
den Seitenöffnungen 17 bereitgestellt
werden.
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Da
die Seitenrückschlagventile 18 und
die Einlass-Rückschlagventile 13 in
dem oberen Gehäuse 10 ausgebildet
werden, wird die Menge von in den Pumpenarbeitsraum 40 strömender Luft
im Vergleich zu der in den 1 bis 4B gezeigten
Membranluftpumpe 50 erhöht.
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6 veranschaulicht
eine Ausführung
einer Membranluftpumpe, bei der Einlassdiffusoren 33, Seitendiffusoren 35 und
Aunlassdiffusoren 37 anstelle der in 5 gezeigten
Rückschlagventile 13, 18 und
Auslassöffnungen 21 bereitgestellt
werden. Die Diffusoren 33, 35, 37 lassen
das Fluid weiterhin durch einen Differenzdruck lediglich in einer
Richtung strömen.
In dem Fall der Einlassdiffusoren 33 ist das Einströmen des
Fluids in das obere Gehäuse 10 zum Beispiel
relativ leicht, wenn der Druck in den engen Teilen 33a der
Diffusoren größer ist
als der in den weiten Teilen 33b der Diffusoren. Da demzufolge
die Menge von durch die Einlassdiffusoren 33 von außerhalb
des Pumpenarbeitsraumes 40 in das obere Gehäuse 10 strömenden Fluids
relativ größer ist
als der des aus den Einlassdiffusoren 33 strömenden Fluids, dienen
die Einlassdiffusoren 33 als eine Art von Einwegrückschlagventilen.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
sind der Betrieb und die Ausführung
der Membranluftpumpe ähnlich
denen der in den 1 bis 4B gezeigten Membranluftpumpe,
mit der Ausnahme, dass die Diffusoren 33, 35, 37 eingesetzt
werden.
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Da
eine Membranluftpumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung im Vergleich zu einer Luftpumpe zum Zuführen von
Sauerstoff, die in einer herkömmlichen
Lüfter-Kühlvorrichtung
oder einer Brennstoffzelle verwendet wird, eine Membran verwendet,
um Luft zuzuführen
beziehungsweise um einen vorgegebenen Raum zu kühlen, ist es möglich, Geräuschbildung
und Leistungsverbrauch zu reduzieren.
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Da
vorhandene Luftpumpen darüber
hinaus eine große
Größe und ein
großes
Volumen sowie übermäßige Geräuschbildung
aufweisen, sind sie nicht geeignet für tragbare Geräte, die
Miniaturisierung erfordern. Da eine Membranluftpumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung jedoch aktiv die Strömungsgeschwindigkeit
von Luft einstellen kann, indem die angelegte Spannung verändert wird,
und wenig Geräusch
erzeugt, ist es möglich,
die Membranluftpumpe als ein Luftzuführungssystem für eine Brennstoffzelle
einzusetzen, die Sauerstoff für
chemische Reaktion benötigt.
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Wie
weiter oben beschrieben wurde, werden gemäß der vorliegenden Erfindung
die Volumenänderungsraten
eines oberen Gehäuses
und eines unteren Gehäuses
erhöht,
wodurch der durch die Schwingung einer Membran verursachte Differenzdruck
erhöht
wird. Daher ist es möglich,
eine Luftpumpe eines größeren Wirkungsgrades
mit einem kleineren Volumen und einem einfacheren Aufbau zu realisieren.
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Darüber hinaus
kann diese Luftpumpe aktiv die Luftmenge oder das Fluid entsprechend
den Anwendungsanforderungen einstellen, und es ist möglich, Geräuschbildung
und Leistungsverbrauch im Vergleich zu einer herkömmlichen
Lüfter-Kühlvorrichtung oder zu vorhandenen
Luftpumpen zu reduzieren.
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Da
es weiterhin möglich
ist, eine ausreichende Luftströmungsgeschwindigkeit
für eine
Brennstoffzelle bereitzustellen, ist es möglich, die Membranluftpumpe
als ein luftseitiges Brennstoffzuführsystem zu verwenden.
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Wenngleich
die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind,
um das Prinzip der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Es
wird erkennbar sein, dass der Durchschnittsfachmann verschiedene
Modifikationen und Änderungen vornehmen
kann, ohne dadurch von dem Erfindungsbereich gemäß Definition in den anhängenden
Patentansprüchen
abzuweichen. Daher soll gelten, dass die genannten Modifikationen, Änderungen
und Gleichwertiges in dem Erfindungsbereich der vorliegenden Erfindung
eingeschlossen sein sollen.